우리의 우주는?

우주론

우주론이란 태초의 우주 탄생과 더불어 현재에 이르기까지 어떻게 진화해 왔을지와 같은 근본적인 문제를 다루는 분야이다. 우주론의 연구 대상으로는 암흑에너지, 암흑물질 핵 합성 마이크로파 배경, 우주 거대구조 등이 있다. 우주론의 밑바탕이 되는 이론은 우주가 약 137억년 전쯤에 시공간의 한 점에서 시작되어 지금까지 팽창하여 왔다는 대폭발 이론(빅뱅 이론)이다. 1965년에 우주 마이크로파 배경이 발견됨으로써 대폭발 이론에 더 큰 힘이 실리게 되었다. 우주는 팽창하는 동안에 여러 가지 아주 중요한 단계를 거치게 된다. 대폭발 직후 아주 초창기에는 우주가 급팽창이라고 칭하는 기하급수적으로 빠른 팽창을 겪었다고 추측되고 있으며, 이 급팽창 때문에 우주가 현재 관측되는 것처럼 균질하고 등방적으로 되었을 것으로 여겨진다. 팽창 이후에는 헬륨 같은 기본적인 원소들이 만들어졌는데, 우주를 구성하는 대부분의 물질이 만들어진 이 과정을 대폭발 핵 합성이라고 부른다. 우주가 팽창하고 식어감에 따라 중성 원자들이 만들어지게 되었고, 그 덕분에 빛이 이온화된 전자들에 의해 방해받지 않고 이동할 수 있게 되어 우주가 투명해지게 된다. 이때 발생한 빛이 현재의 우주 마이크로파 배경으로 관측이 된다. 그러나 아직 빛을 낼 수 있는 별들이 만들어지지 않았기 때문에 이 시기를 우주의 암흑시대라고 부른다.

우주에 존재하던 작은 밀도의 움직임으로부터 처음 천체들이 만들어졌다. 물질들이 밀도가 높은 지역으로 뭉치면서, 거대한 가스 덩어리를 만들고, 여기서 처음으로 별들이 만들어지게 된다. 이 별들은 내부의 핵융합을 통해 무거운 원소들을 만들게 되고, 이때 발생하는 빛들은 주위의 가스를 이온화시켜서, 재전리라는 과정을 시작하게 했다. 별들이 중력에 의해 모이면서 처음으로 은하들을 만들게 되고, 이 은하들이 다시 중력에 의해 분포하면서 은하군이나 은하단 같은 더 큰 구조들을 만들고, 이는 현재의 우주 거대구조를 형성하게 된다.

*암흑 물질과 암흑 에너지는 우주론의 근본적인 구성성분이 되어왔으며, 두 성분을 합쳐서 우주 전체의 96%를 차지한다고 받아들여지고 있다. 그러나 암흑물질과 암흑에너지가 그 본질이 무엇인지 아직 밝혀지지 않았으며, 현대 우주론과 천문학의 큰 난제 중 하나이다.


우리은하 천문학

우리은하 중심부에는 막대 모양의 팽대부가 있으며, 은하 중심에는 거대한 블랙홀이 있는 것으로 추측되고 있다. 은하 중심부는 바깥쪽으로 소용돌이처럼 퍼져나가는 네 개의 나선팔로 둘러싸여 있다. 나선팔은 금속 함량이 많고 젊은 항성들이 탄생하는 곳이다. 은하 원반을 구형의 은하 헤일로가 둘러싸고 있는데, 여기에는 주로 늙은 항성들과 별들이 조밀하게 뭉친 구상성단들이 분포하고 있다. 우리 태양계는 국부 은하군에 속해 있는 막대나선은하인 우리은하에 속해 있으며, 우리은하의 중심을 공전하고 있다. 가스, 먼지, 별, 암흑물질 등이 중력을 통해 서로 묶여 우리은하를 구성하고 있으며, 이들은 공통 질량중심을 축으로 회전하고 있다.

별들 사이에는 먼지와 가스 등으로 이루어진 성간 물질이 분포하고 있다. 성간 물질의 밀도가 높은 곳에서는 수소 분자 및 다른 원소들로 구성된 분자 구름이 만들어지고, 이곳에서 별들이 태어난다. 별의 탄생은 처음에는 분자 구름이 밀집된 암흑 성운의 형태로 시작되며, 그 후 압축과 붕괴를 통해 원시별을 형성하게 된다.

질량이 큰 별들이 태어나는 곳의 주변은 빛을 방출하는 가스와 플라즈마로 이루어진 영역으로 확장된다. 무거운 별들은 강한 항성풍을 방출하며 초신성 폭발로 생을 마치는데, 이에 따라 주변의 성간물질이 흩어지게 된다. 때때로 여러 별로 이루어진 산개 성단이 만들어지기도 하는데, 산개 성단의 별들은 점차 흩어지게 되면서 우리은하의 항성 종족에 흡수된다.


외부 은하천문학

우리은하 외의 천체들과 현상을 연구하는 분야이다. 은하의 형성과 진화, 외부은하의 형태와 분류, 활동은하, 은하단과 은하군, 그리고 이들로 이루어지는 우주 거대구조를 연구한다. 활동은하는 방출하는 에너지의 상당 부분이 별, 먼지, 성간물질 같은 것이 아닌 은하 중심의 다른 에너지원으로부터 나오는 은하를 말한다. 이러한 활동은하핵은 강착원반을 가진 초대질량 블랙홀이라고 추측된다. 활동은하에는 시퍼트은하, 퀘이사, 블레이저, 전파은하 등이 있다. 

대부분의 은하는 모양에 따라 나선은하, 타원은하, 불규칙 은하로 분류된다.

나선은하는 납작하고 회전하고 있는 원반 모양을 하고 있으며, 중심부의 팽대부와 나선 모양의 팔들로 이루어져 있다. 나선팔들은 성한 먼지를 많이 포함하고, 주로 별들이 탄생하는 곳으로 푸른 빛을 띠고 있다. 나선은하들은 주로 나이가 많은 별들로 이루어진 헤일로에 둘러싸여 있다. 우리은하와 안드로메다은하가 대표적인 나선은하이다.

타원은하는 하늘에 투영된 모습이 타원을 띄는 은하이다. 타원은하의 별들은 무작위적인 궤도를 가지고 움직이며, 성간물질이 적으며, 새로 생성되는 별이 적은, 주로 나이가 많은 별들로 이루어져 있다. 타원은하들은 주로 은하단의 중심부에 위치하며, 여러 은하가 합쳐져서 만들어졌다고 여겨지고 있다.

불규칙은하는 나선은하와 타원은하로 분류할 수 없는 특정한 모양을 갖지 않는 은하이다. 이러한 불규칙한 모양은 다른 주변 은하와의 상호작용 때문에 만들어진다.

우주 거대구조는 이러한 은하들이 모이고 모여 이루는 구조를 의미한다. 우주의 거대 구조는 계층적 구조를 가지고 있는데, 은하들이 모여 은하군을 이루고, 이 은하군들이 모여 은하단을 만들며, 다시 초은하단을 만드는 식이다. 이러한 거대한 군집들은 다시 필라멘트 구조와 그 사이의 공동을 이루며 분포한다.